CC BY
55
The influence of the virtual antenna array number of elements , the signal-to-noise ratio, the distance between the emitters, the random phase distortions in a multi-channel (MIMO) radar system on the measurement error of the angular coordinates of the target, the angular resolution and maximum number ofpermitted purposes.
Key words: multichannel radar, angular resolution, simulation.
Zaycev Nikolay Alekseevich, General designer of Public Joint-Stock Company «Scientific-production Association «Strela»,
Gublin Aleksandr Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, gubli-nas@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Makaretsky Evgeny Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, maka-retsky@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.376.2:621.3.091
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДНЫХ НЕОТРАЖАЮЩИХ СВЧ-АТТЕНЮАТОРОВ
А.В. Артющев, Е.А. Макарецкий, Г.В. Крупин, А. Л. Гусев
Предложены и исследованы методы компенсации отражений в волноводных диодных аттенюаторах СВЧ. Установлена зависимость проводимостей диодов, обеспечивающая отсутствие отражений. Проведено электродинамическое моделирование характеристик аттенюаторов, показавшее возможность получения значений КСВН менее 1,5 при изменении затухания от 1 до 35 дБ.
Ключевые слова: диодные аттенюаторы СВЧ, электродинамическое моделирование.
Одним из широко распространённых элементов СВЧ-техники является диодный аттенюатор, обеспечивающий в широких пределах регулировку проходящей СВЧ-мощности при низкой мощности управления за счёт управления параметрами проводимости pin диодов.
Отражательный диодный аттенюатор осуществляет регулировку проходящей мощности за счёт отражения её части в сторону генератора. Схема замещения диодного аттенюатора показана на рис. 1,а. Она обычно включает несколько диафрагменных диодов, расположенных на расстоянии Хв/4 (где Хв - длина волны в волноводе) вдоль прямоугольного волновода (расстояние Хв/4 обеспечивает синфазное сложение отражённых волн и высокий уровень затухания проходящей волны). Резонансный контур описывает свойства резонансной диафрагмы, в которую устанавливается переключательный диод.
у1 1 У2 1
/
а О
Рис. 1. Схема замещения диодного аттенюатора
Количество диафрагм определяется необходимым максимальным затуханием. Затухание, вносимое в открытом состоянии, зависит от согласованности диафрагменных диодов с сопротивлением волновода. Для снижения потерь в открытом состоянии обычно требуется использовать дополнительные элементы (переход на волновод с пониженным сопротивлением, отрезки П или Н волноводов) [1].
Затухание В, вносимое переключательным диодом, может быть рассчитано по соотношению
В = 20\ё
1 +
У
(1)
где у - нормированная проводимость диода (рис. 1, б).
Затухание, вносимое одиночным переключательным диодом, слабо зависит от частоты. При использовании нескольких каскадов вносимое затухание быстро возрастает, но начинает сказываться частотная зависимость.
Отражательные аттенюаторы позволяют обеспечить высокий уровень затухания при небольшом числе диодов. Однако диод в режиме отражения приводит к несогласованности СВЧ-тракта (КСВН может достигать сотен и более), что неприемлемо на практике, а подавление отражённой волны с помощью ферритового вентиля или мостового включения двух аттенюаторов усложняет конструкцию [2].
Однако существует возможность устранения отражённой волны в диодных аттенюаторах за счёт создания режима поглощения проходящей мощности. Это возможно при обеспечении согласованного изменения сопротивления диодов, приводящего к компенсации отражённой волны. При этом уменьшение уровня проходящей мощности происходит из-за поглощения в активной составляющей проводимости диодов. Определим условия отсутствия отражений от двухкаскадного диодного аттенюатора, используя матричное описание СВЧ-устройства.
Аттенюатор состоит из двух комплексных проводимостей у1 и у2, параллельно включённых в линию передачи и разнесённых на расстояние / (рис. 1, б).
Результирующая матрица передачи каскадного соединения элементов схемы на рис. 1, б может быть записана в виде
Т13 =
(2 + л)(2 + лИ7-У1У2е-^ (2 + ух)у2е№ +(2-у2)ухе-№ -(2 + у2 )у1е№ - (2 - л )у2е~#1 - уху2е№ + (2 + л )(2 + л
,(2)
где р=2л/Хв - фазовая постоянная волновода.
Элемент ^ 1 результирующей матрицы рассеяния (коэффициент отражения от входа диодного аттенюатора) при отсутствии отражений:
5 = Т21 = (2 + У2~ (2 ~У, )У2е~т, = 0 (3)
11 ти Ыу^у^т
При расстоянии между диафрагмами Хв/2 выражение (3) приводит к условию
$1 = п,у1+у2=0, (4)
которое не имеет решения, поскольку проводимость диафрагм имеет активную составляющую.
При расстоянии между диафрагмами Хв/4 выражение (3) приводит к условию
р/ = я/2, л (5)
Последнее условие позволяет реализовать режим поглощения в диодном аттенюаторе. На практике при управлении характеристиками диодов возникает погрешность и выполнение условия (5) нарушается, что приводит к отличию параметров аттенюатора от идеальных расчётных. Кроме того, в закрытом состоянии диода сказывается влияние его реактивной (ёмкостной) составляющей проводимости.
На рис. 2 представлены результаты расчёта характеристик двухкас-кадного диодного аттенюатора в режиме поглощения для параметров диода 2А558.
КС в
1
«ч 3
0.6 0.7 0.® 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
Ш0
Рис. 2. Зависимость КСВН аттенюатора от нормированной частоты
для значений относительной погрешности формирования проводимости компенсирующей диафрагмы А=0 (1); А=0,1 (2); /1=0,3 (3)
130
Вносимое затухание в режиме поглощения значительно меньше, чем в режиме отражения (при одинаковых параметрах диодов для двух диафрагм в режиме отражения максимальное затухание составляет 87 дБ, а в режиме поглощения - 47 дБ). Для увеличения затухания необходимо модули из двух диафрагм с диодами располагать последовательно на расстоянии, равном половине длины волны в линии.
Второй подход к решению задачи снижения отражений от диодных аттенюаторов предполагает использование метода, применяемого при конструировании нерегулируемых СВЧ аттенюаторов на поглощающих элементах [3].
Метод заключается в использовании каскадного соединения диодных аттенюаторов четвертьволновыми отрезками линий передачи, причём активное сопротивление диода каждого последующего каскада изменяется по закону Я - - К/3 - К/4 - .... (рис. 3).
Вход
кП 1 ~з 1 т] Й/Л
Выход
Л/4 <-1- Л/4 4-► Л/4 к---► Л/4 ^---^
Рис. 3. Схема многокаскадного аттенюатора с различными резисторами
Подобное построение аттенюатора обеспечивает частичную компенсацию отражённых волн и работу в режиме поглощения. Следует отметить, что рассматриваемые методы компенсации отражённой волны на практике отличаются только алгоритмами управления током смещения, а конструкции аттенюаторов одинаковы.
Для оценки эффективности данного метода проведём моделирование диодного аттенюатора, основанного на приведённой структуре (рис. 3).
Общая математическая модель аттенюатора с числом каскадов п может быть представлена в виде
[Т]=[Т1]-[Т0][Т2}-Ы---Ы=
г1
г1
г1 12
г1
21 22
г0 11
пО
г° 12
гО
21 22
[11
г2
12
Г 2
21 22
г0 !11 гО
г° 12
гО
21 22.
ггП
-41
грП 21
грП 12 ГГ?1 122
(6)
где [т] - волновая матрица передачи аттенюатора; [г0 ] - волновая матрица передачи четвертьволнового отрезка линии; [гг- ] - матрица передачи /-го диода аттенюатора, включённого в линию передачи.
Результаты моделирования характеристик диодного аттенюатора с уменьшающимися сопротивлениями нагрузки приведены на рис. 4.
131
КСЕ
1.5 16 1.4 1.2 1
о бкю"3 Зхш-"5 0.01 0.01: о.оы о.о1б ишз
а
В. л£--
о^------
О 4*10"3 Зх10"3 0.012 0.016
б
Рис. 4. Зависимости коэффициента стоячей волны по входу (1) и выходу (2) (а) и вносимого затухания (б) от активной проводимости структуры рт-диода g0 (6 каскадов)
Обобщённые результаты моделирования приведены в таблице. Обобщённые результаты моделирования многокаскадных диодных
аттенюаторов с уменьшающимися сопротивлениями нагрузки
Количество диодов Максимальный КСВН Минимальный КСВН Максимальное затухание, дБ Минимальное затухание, дБ
2 1,0 2,7 21,5 0,328
3 1,05 2,08 28 0,4
4 1,0 1,75 33 0,455
5 1,06 1,59 37 0,499
6 1,0 1,47 41 0,499
7 1,05 1,4 44 0,536
8 1,0 1,35 47,5 0,567
9 1,04 1,3 50 0,618
10 1,0 1,27 51,5 0,64
Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы.
1. Для обеспечения большого затухания в многокаскадном аттенюаторе достаточно относительно небольшого диапазона изменения активной проводимости структуры-диода (приблизительно в 100 раз).
2. Практически все характеристики аттенюатора (кроме затухания в открытом состоянии) улучшаются при увеличении количества каскадов.
3. Приемлемое согласование (КСВН<1,5) возможно при количестве каскадов более 8.
Проведенное моделирование четырёхкаскадного аттенюатора в режиме поглощения в пакете электродинамического моделирования HFSS [4] на частоте 34 ГГц показало, что получение низких значений КСВН (менее 2) требует коррекции сопротивлений структур pin диодов, что объясняется влиянием паразитных параметров диода. Результаты моделирования показали, что возможно обеспечение значений КСВН менее 1,2 - 1,5 в полосе частот ±1,5 % при диапазоне изменения затухания от 1 до 35 дБ.
Для улучшения согласования требуется учёт параметров конкретных диодов и коррекция закона изменения проводимостей (сопротивлений) диодов. При работе аттенюатора в диапазоне температур параметры диодов существенно изменяются (прямое сопротивление в диапазоне температур -60...+60 °с изменяется приблизительно на 20 %), что приводит к необходимости стабилизации уровня затухания.
Кроме того, изменение обратного напряжения, приложенного к диоду, приводит к изменению ёмкости структуры и, соответственно, реактивной составляющей комплексной проводимости, что также вызывает изменение затухания. Оценка показывает, что это может привести к ошибке установки затухания до 3.. .4 дБ (при затуханиях 30.. .35 дБ).
Отмеченные особенности делают необходимым управление характеристиками диода, учитывающее изменение температуры и влияние напряжения обратного смещения. Для этого схема управления прецизионным диодным аттенюатором должна включать источник тока, управляемый цифро-аналоговым преобразователем (рис. 5).
Рис. 5. Структурная схема схемы управления диодным аттенюатором \МУ1
Сигнал управления должен формироваться микропроцессором, на который поступают сигнал с датчика температуры, установленного на аттенюаторе, код уровня затухания и рабочая частота аттенюатора.
Таким образом, предложенные методы управления диодными аттенюаторами позволяют существенно улучшить их параметры согласования с СВЧ-трактом и упростить конструкцию тракта.
Список литературы
1. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь,1987. С. 124.
2. Микроэлектронные устройства СВЧ / под ред. Г.И. Веселова. М.: Высш. шк., 1988. 280 с.
3. Хелзайн Дж. Пассивные и активные цепи СВЧ. М.: Радио и связь, 1981. 205 с.
4. Банков С.Е., Курушин А.А., Разевиг В.Д. Анализ и оптимизация СВЧ структур с помощью HFSS. М.: Оркада, 2004. 194 с.
Артющев Алексей Владимирович, начальник отдела, makaretsky@,mail.ru, Россия, Тула, АО «КБП»,
Макарецкий Евгений Александрович, д-р техн. наук, проф., makaretskyamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Крупин Георгий Викторович, инж., makaretsky@,mail. ru, Россия, Тула, АО «ЦКБА»,
Гусев Антон Львович, инженер, makaretsky@,mail.ru, Россия, Тула, АО «ЦКБА»
ANAL YSIS OF DIODE NON-REFLECTIVE MICRO WA VE A TTENUA TORS A. V. Artuschev, E.A. Makaretsky, G. V. Krupin, A.L. Gusev
The techniques for compensation of reflections in the waveguide diode attenuators microwave are proposed and investigated. The dependence of the diodes conductivity, ensuring the absence of reflections. Conducted electrodynamic modeling of the characteristics of the attenuators, which showed the possibility of obtaining VSWR values less than 1.5 when you change the damping from 1 to 35 dB.
Key words: diode attenuators microwave, electrodynamic simulation.
Artuschev Aleksey Vladimirovich, head of department, makaretskyaimail. ru, Russia, Tula, JSC "KBP",
Makaretsky Evgeny Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, maka-retskyaimail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Krupin Georgy Viktorovich, engineer, makaretskyamail. ru, Russia, Tula, JSC «Central design bureau of apparatus engineering»,
134
Gusev Anton Lvovich, engineer, makaretsky@mail.ru, Russia, Tula, JSC «Central design bureau of apparatus engineering»
УДК 621.397.6
КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАБОТКИ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ
С. Л. Погорельский, В.М. Понятский, Д.Б. Егоров, Е.А. Макарецкий,
А.В. Овчинников, А.С. Гублин
Приведены структурные схемы и алгоритмы работы программно-технического комплекса для комплексной обработки видеоинформации. Указаны особенности его программной реализации. Показан возможный вариант его практической реализации.
Ключевые слова: программно-технический комплекс, обработка видео сигналов, комплексная обработка информации.
Введение
Решение задачи методического и алгоритмического обеспечения комплексной обработки видеоинформации требует постоянного тестирования и отработки разрабатываемых алгоритмов на видеорядах, полученных в различных условиях. Формирование данных рядов при помощи серийно выпускаемых видеокамер и ПЭВМ, а также тестирование и отработка алгоритмов обработки информации на основе распространенных пакетов математических пакетов является нецелесообразным решением, требующим больших временных и материальных затрат.
В этой связи для тестирования и отработки алгоритмов комплексной обработки изображений назрела необходимость разработки программно-технического комплекса (ПТК, комплекс), обеспечивающего возможность формирования видеорядов для реальных ситуационных условий и моделирования комплексной обработки изображений, полученных различными методами.
Анализ поставленной задачи показал, что разрабатываемый комплекс должен обеспечивать:
- формирование видеорядов реальной фоно-целевой обстановки, соответствующих техническим характеристикам проектируемой оптической системы;
- исследование и отработку алгоритмов обработки видео изображений, формируемых в реальных фоно-целевых условиях;
- исследование и отработку алгоритмов выделения объектов на видео изображениях и идентификацию требуемого объекта;
